CN103604963A

CN103604963A - 一种宽带信号调理电路

Info

Publication number: CN103604963A
Application number: CN201310571826.9A
Authority: CN
Inventors: 杨江涛; 吕增强; 刘洪庆; 王励; 邵成华; 向前
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CETC 41 Institute
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明提供一种宽带信号调理电路，包括输入阻抗切换电路、高阻衰减网络、阻抗变换电路与信号调理电路；所述输入阻抗切换电路，用于实现50Ω和1MΩ输入阻抗变换；所述高阻衰减网络，用于实现10倍或100倍的信号衰减；所述阻抗变换电路，用于实现1MΩ到50Ω阻抗变换及通道偏移调节；所述信号调理电路为LMH6518电路，用于实现信号放大、步进衰减、输出驱动及信号分离。本发明采用LMH6518增益可控放大器来简化电路结构，降低硬件成本、减小功耗和体积；可减小温度和电压等变化引起的信号幅度误差，提高信号调理的幅度准确度、频响，并有效降低通道噪声，显著提高了示波器等数据采集产品的频响、带宽、垂直灵敏度等指标。

Description

一种宽带信号调理电路

技术领域

本发明属于信号调理电路技术领域，尤其涉及的是一种宽带信号调理电路。

背景技术

传统的信号调理电路采用较多分立元件来实现信号幅度的调整，包括前级衰减器、阻抗变换电路、后级衰减器、放大器、单端到差分变换电路、触发信号源驱动电路等，而且50Ω和1MΩ电路独立设计，器件布局空间大，成本高、功耗大，50Ω和1MΩ通道之间存在较大干扰。由于器件差异及电路分布参数影响，导致调理电路一致性差，控制电路复杂，容易产生自激信号，调试难度及工作量都比较大。

信号调理是示波器等数据采集产品的重要电路，决定了其带宽、带内频响，垂直分辨率等重要指标，主要受处理电路中放大器、衰减器等因素的影响。由于集成电路工艺制造水平的提高，只要选择足够模拟带宽的A／D转换器，其对模拟信号幅度的影响很小，因此信号调理电路成为影响示波器等数据采集产品幅度精度、频响的最重要的因素。

示波器及其它数据采集产品中现有的信号调理方法是采用较多分立元件实现，具体的原理实现框图如图1所示，该电路包括独立的50Ω阻抗信号调理电路102和1MΩ阻抗信号调理电路101，其中继电器K5及其后端电路为50Ω输入阻抗信号调理电路102。继电器K5之前的电路为1MΩ输入阻抗信号调理电路101，1MΩ输入阻抗时，信号经过阻抗变换电路后，进入50Ω信号处理电路。

继电器K1和K4用来切换50Ω和1MΩ通路。当选择50Ω通路时，信号直通送入继电器K5，进行信号衰减或放大。可以实现10倍、5倍、2倍衰减及5倍固定放大，经过放大或衰减的信号通过信号分离电路输出两路信号，一路信号作为模数转换器(简称ADC)采样信号，一路信号经过驱动放大器放大后作为触发源信号；当选择1MΩ通路时，控制K1和K4，信号送入到继电器K2，经过衰减及阻抗变换，阻抗变换后，信号进入50Ω通道，做进一步衰减和放大处理。这种电路能够实现信号1、2、5倍步进增益，但由于衰减网络由分立元件搭建，容易受到外部干扰，同时继电器K5、K6、K7、K8要参与信号控制，控制电路复杂。

分立元件技术进行信号调理存在以下问题：1)较多采用分立元件电路来实现，其器件布局空间大，成本高、功耗大；2)由于50Ω和1MΩ两种阻抗信号调理电路独立设计，通道之间存在较大干扰3)通道中存在较多信号切换开关，控制电路复杂；4)分立元件较多，由于元件差异及电路分布参数影响，信号调理通道一致性差，易产生自激信号，调试难度及工作量大。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种宽带信号调理电路。

本发明的技术方案如下：

一种宽带信号调理电路，其中，包括输入阻抗切换电路、高阻衰减网络、阻抗变换电路与信号调理电路；所述输入阻抗切换电路，用于实现50Ω和1MΩ输入阻抗变换；所述高阻衰减网络，用于实现10倍或100倍的信号衰减；所述阻抗变换电路，用于实现1MΩ到50Ω阻抗变换、交／直流耦合、直流偏移调节以及交／直流信号幅度一致性调节。所述信号调理电路为LMH6518电路，用于实现信号放大、步进衰减、输出驱动及信号分离。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述输入阻抗切换电路由一个机械开关和一个50Ω对地电阻组成；当选择50Ω输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻连接到电路中，当选择1MΩ输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻与信号通道断开。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述高阻衰减网络由10倍衰减器及频响补偿电路组成；所述10倍衰减器由900kΩ和111kΩ电阻组成；所述频响补偿电路由电容以及200Ω电阻组成；所述电容为4pF-20pF的可调电容、1pF电容、1.5pF电容的组合。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述阻抗变换电路包括一个N沟道结型场效应管FSU01的源极、漏极结构，缓冲放大输入信号，利用另外一个场效应管FSU01作为其恒流源，用于实现一个输入阻抗1MΩ、输入电容10pF、放大倍数为1倍的阻抗变换电路。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述阻抗变换电路还包括有交／直流耦合电路、直流偏移调节电路以及交／直流信号幅度一致性调节电路。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述LMH6518电路包括预放大器、步进衰减器、输出驱动放大器。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述预放大器的放大倍数为10dB或30dB；所述步进衰减器的衰减范围为0到20dB；所述输出驱动放大器的增益为固定8.86dB。

所述的宽带信号调理电路，其中，当输入到信号调理电路信号幅度小于40mV峰峰值时，控制所述预放大器放大倍数为30dB，步进衰减器衰减量为0dB，通过所述输出驱动放大器直接输出差分信号；当输入到信号调理电路信号以1、2、5倍增大时，通过调节内部步进衰减器衰减量为0dB、6dB、14dB，实现宽带信号调理电路1倍、2倍、5倍的信号幅度衰减。

所述的宽带信号调理电路，其中，所述LMH6518电路包括20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz及全带宽控制电路，用于实现20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz的带宽限制。

本发明采用LMH6518增益可控放大器来简化电路结构，降低硬件成本、减小功耗和体积；加上LMH6518具有数控衰减器、增益可控放大器、信号分离电路、带宽限制电路，所有控制通过三根控制线即可实现。信号切换速度快、控制电路简单，一致性好，可减小温度和电压等变化引起的信号幅度误差，提高信号调理的幅度准确度、频响，并有效降低通道噪声，显著提高了示波器等数据采集产品的频响、带宽、垂直灵敏度等指标。

附图说明

图1为现有技术中分立元件信号调理的结构示意图。

图2为本发明宽带信号调理电路示意图。

图3为本发明中阻抗变换电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图2所示，本发明提供一种宽带信号调理电路主要包括输入阻抗切换电路209、高阻衰减网络201与202、阻抗变换电路203和信号调理电路204四个部分。

输入阻抗切换电路209用于实现50Ω和1MΩ输入阻抗变换。由一个机械开关K1和一个50Ω对地电阻208组成，当选择50Ω输入阻抗时，切换开关K1，使对地50Ω电阻208连接到电路中，当选择1MΩ输入阻抗时，切换开关K1，使50Ω电阻208与信号通道断开，这种方式大大简化了电路方案，由一个1MΩ的信号调理电路即实现了50Ω和1MΩ两种输入阻抗功能。

高阻衰减网络由两级10倍衰减网络201及202组成，实现10倍、100倍的信号衰减，当输入信号较大时，需要先对信号进行10倍或100倍的衰减，以保证后端电路的正常工作。高阻10倍衰减网络由电阻构成的衰减网络，输入阻抗为1MΩ，衰减倍数为10，并设计有基于电容的带内平坦度补偿电路，可以保证全带宽内信号的平坦度。

阻抗变换电路203用于实现1MΩ到50Ω阻抗变换，利用一个N沟道结型场效应管FSU01的源极、漏极结构，缓冲放大输入信号，利用另外一个场效应管FSU01作为其恒流源，这种缓冲放大电路结构，即可以等效为一个输入阻抗1MΩ、输入电容10pF、放大倍数为1倍的阻抗变换电路。

核心LMH6518电路204实现信号放大、步进衰减、输出驱动及信号分离等处理。阻抗变换后的信号送到LMH6518，由其实现信号预放大、步进衰减、输出驱动放大及触发源信号分离等处理。

当输入到阻抗切换电路209信号幅度小于或等于40mV峰峰值时，三线205的控制数据控制预放大器放大倍数为30dB，步进衰减器衰减量为0dB(1倍)，通过后端8.86dB的输出驱动放大器可以直接输出差分信号206，满足ADC等数据采集电路的采样幅度要求。当输入到阻抗切换电路209信号幅度在40mV峰峰值基础上以1、2、5倍增大时，三线205上控制数据调节电路204内部步进衰减器衰减量为0dB(1倍)、6dB(2倍)、14dB(5倍)，即可以实现宽带调理电路对信号的1倍、2倍、5倍衰减，同时电路204还可以输出另外一路幅度与206一致的差分信号207，可以作为206的同步触发源信号，非常适合示波器等产品应用。

LMH6518预放大器倍数、步进衰减器衰减倍数的控制，通过三线205实现，包括时钟线、数据线和片选线各一根，控制过程包括串行数据读操作和串行数据写操作，具体不再赘述。

阻抗变换电路203还具有交／直流耦合控制、直流偏移调节以及交／直流信号幅度一致性调节功能，如图3所示。电路501为交直流耦合控制电路，当选择交流耦合时，开关508断开，信号通过电容507送到阻抗变换电路，当选择直流耦合时，开关508闭合，直流信号可以通过开关508及直流信号放大电路502送到输出端口503。通过调节可调电阻509的阻值可以调整直流信号放大倍数，使直流信号放大倍数和交流信号放大倍数一致，实现交／直流信号幅度一致性调节。电路505为直流偏移调节电路，偏移电平通过506输入到电路505，使输出端口504的直流电平与输出端口503的直流电平一致，实现直流偏移调节功能。

同时LMH6518具有共模电压输入端口，连接ADC共模输出电压到LMH6518共模电压输入端口，可以使输出信号具有满足ADC输入要求的共模电压。

针对不同幅度输入到调理电路的信号，调理电路可以实现相应的增益，以一个垂直刻度1mV／div-5V／div的示波器、ADC接收范围700mV的示波器为例，具体的电路增益设置如表1所示。

表1 示波器不同垂直刻度与调理电路增益对应表

表1中示波器垂直方向为8格(div)，因此不同垂直档位的满刻度输入信号为垂直刻度乘以8，即垂直刻度1mV／div时，满刻度输入信号幅度是8mV。

通过LMH6518的应用，设定10mV／div为基准档位，基准档位调节好后(使输出信号满足ADC输入幅度要求)，其余档位只需调节前端衰减网络、预放大器及步进衰减器即可实现，大大降低了电路调试难度，并能很好的保证信号质量。

另外，LMH6518内部集成有20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz及全带宽控制电路，可以方便的实现调理电路20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz的带宽限制。

实施例2

在上述实施例的基础上，进一步，提供一种宽带信号调理电路，其中，包括输入阻抗切换电路、高阻衰减网络、阻抗变换电路与信号调理电路；所述输入阻抗切换电路，用于实现50Ω和1MΩ输入阻抗变换；所述高阻衰减网络，用于实现10倍或100倍的信号衰减；所述阻抗变换电路，用于实现1MΩ到50Ω阻抗变换及通道偏移调节；所述信号调理电路为LMH6518电路，用于实现信号放大、步进衰减、输出驱动及信号分离。

进一步而言，所述输入阻抗切换电路由一个机械开关和一个50Ω对地电阻组成；当选择50Ω输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻连接到电路中，当选择1MΩ输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻与信号通道断开。

进一步而言，所述高阻衰减网络由10倍衰减器及频响补偿电路组成；所述10倍衰减器由900kΩ和111kΩ电阻组成；所述频响补偿电路由电容以及200Ω电阻组成；所述电容为4pF-20pF的可调电容、1pF电容、1.5pF电容的组合。

进一步而言，所述阻抗变换电路包括一个N沟道结型场效应管FSU01的源极、漏极结构，缓冲放大输入信号，利用另外一个场效应管FSU01作为其恒流源，用于实现一个输入阻抗1MΩ、输入电容10pF、放大倍数为1倍的阻抗变换电路。

进一步而言，所述阻抗变换电路还包括有交／直流耦合电路、直流偏移调节电路以及交／直流信号幅度一致性调节电路。

进一步而言，所述LMH6518电路包括预放大器、步进衰减器、输出驱动放大器。

进一步而言，所述预放大器的放大倍数为10dB或30dB；所述步进衰减器的衰减范围为0到20dB；所述输出驱动放大器的增益为固定8.86dB。

进一步而言，当输人到信号调理电路信号幅度小于40mV峰峰值时，控制所述预放大器放大倍数为30dB，步进衰减器衰减量为0dB，通过所述输出驱动放大器直接输出差分信号；当输入到信号调理电路信号以1、2、5倍增大时，通过调节内部步进衰减器衰减量为0dB、6dB、14dB，实现宽带信号调理电路1倍、2倍、5倍的信号幅度衰减。

进一步而言，所述LMH6518电路包括20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz及全带宽控制电路，用于实现20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz的带宽限制。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种宽带信号调理电路，其特征在于，包括输入阻抗切换电路、高阻衰减网络、阻抗变换电路与信号调理电路；所述输入阻抗切换电路，用于实现50Ω和1MΩ输入阻抗变换；所述高阻衰减网络，用于实现10倍或100倍的信号衰减；所述阻抗变换电路，用于实现1MΩ到50Ω阻抗变换及通道偏移调节；所述信号调理电路为LMH6518电路，用于实现信号放大、步进衰减、输出驱动及信号分离。

2.如权利要求1所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述输入阻抗切换电路由一个机械开关和一个50Ω对地电阻组成；当选择50Ω输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻连接到电路中，当选择1MΩ输入阻抗时，切换所述机械开关，使所述50Ω对地电阻与信号通道断开。

3.如权利要求1所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述高阻衰减网络由10倍衰减器及频响补偿电路组成；所述10倍衰减器由900kΩ和111kΩ电阻组成；所述频响补偿电路由电容以及200Ω电阻组成；所述电容为4pF-20pF的可调电容、1pF电容、1.5pF电容的组合。

4.如权利要求1所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述阻抗变换电路包括一个N沟道结型场效应管FSU01的源极、漏极结构，缓冲放大输入信号，利用另外一个场效应管FSU01作为其恒流源，用于实现一个输人阻抗1MΩ、输入电容10pF、放大倍数为1倍的阻抗变换电路。

5.如权利要求4所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述阻抗变换电路还包括有交／直流耦合电路、直流偏移调节电路以及交／直流信号幅度一致性调节电路。

6.如权利要求1所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述LMH6518电路包括预放大器、步进衰减器、输出驱动放大器。

7.如权利要求6所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述预放大器的放大倍数为10dB或30dB；所述步进衰减器的衰减范围为0到20dB；所述输出驱动放大器的增益为固定8.86dB。

8.如权利要求7所述的宽带信号调理电路，其特征在于，当输入到信号调理电路信号幅度小于40mV峰峰值时，控制所述预放大器放大倍数为30dB，步进衰减器衰减量为0dB，通过所述输出驱动放大器直接输出差分信号；当输入到信号调理电路信号以1、2、5倍增大时，通过调节内部步进衰减器衰减量为0dB、6dB、14dB，实现宽带信号调理电路1倍、2倍、5倍的信号幅度衰减。

9.如权利要求7所述的宽带信号调理电路，其特征在于，所述LMH6518电路包括20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz及全带宽控制电路，用于实现20MHz、100MHz、200MHz、350MHz、650MHz、750MHz的带宽限制。